Over de wereld van zoogdieren, tanden zijn er in allerlei soorten en maten. Hun specifieke grootte en vorm zijn het proces van miljoenen jaren van evolutionaire fijnafstemming om tanden te produceren die het voedsel in het dieet van een dier effectief kunnen afbreken. Als resultaat, zoogdieren die nauw verwant zijn en een soortgelijk menu hebben, hebben meestal tanden die er redelijk hetzelfde uitzien. Nieuw onderzoek suggereert, echter, dat deze overeenkomsten alleen maar 'huiddiep' zijn.

De tanden aan de achterkant van onze mond - de kiezen - hebben een reeks bultjes, richels, en groeven over het kauwoppervlak. Dit complexe tandheelkundige landschap is het product van de ruimtelijke ordening van knobbels, dit zijn conische uitsteeksels aan het oppervlak die voedsel verpletteren voordat het wordt ingeslikt. Hoeveel knobbels zijn er, hoe ze gepositioneerd zijn, en welke grootte en vorm ze samen aannemen, bepalen de algehele vorm of configuratie van onze kies.

In de loop van de evolutie van mensachtigen (moderne mensen en hun fossiele voorouders), kiezen zijn aanzienlijk veranderd in hun configuratie, waarbij sommige groepen grotere knobbels ontwikkelen en andere kiezen met een batterij van kleinere extra knobbels.

Het in kaart brengen van deze veranderingen heeft krachtige inzichten opgeleverd in ons begrip van de moderne menselijke bevolkingsgeschiedenis. Het heeft ons zelfs in staat gesteld om nieuwe fossiele mensachtigen te identificeren, soms van slechts fragmentarische tandresten, en om te reconstrueren welke soort nauwer verwant is aan wie. Precies hoe sommige populaties van moderne mensen, en enkele fossiele mensachtigen, geëvolueerde complexe kiezen met veel knobbels van verschillende grootte, terwijl anderen meer vereenvoudigde kiesconfiguraties ontwikkelden, echter, is onbekend.

In een onderzoek dat deze week is gepubliceerd in wetenschappelijke vooruitgang , een internationaal team van onderzoekers van het Institute of Human Origins en de School of Human Evolution and Social Change van de Arizona State University, New York Universiteit, Universiteit van Kent, en het Max Planck Instituut voor Evolutionaire Antropologie ontdekten dat een eenvoudige, duidelijke ontwikkelingsregel - de "patrooncascade" - is krachtig genoeg om de enorme variabiliteit in de configuratie van de molarenkroon in de afgelopen 15 miljoen jaar van aap- en menselijke evolutie te verklaren.

"In plaats van een beroep te doen op grote, gecompliceerde scenario's om de belangrijkste verschuivingen in molaire evolutie in de loop van de oorsprong van mensachtigen te verklaren, we ontdekten dat eenvoudige aanpassingen en wijzigingen aan deze ene ontwikkelingsregel de meeste van die veranderingen kunnen verklaren, " zegt Alejandra Ortiz, een postdoctoraal onderzoeker aan het Institute of Human Origins van de Arizona State University en hoofdauteur van de studie.

In het afgelopen decennium, Het begrip van onderzoekers over de ontwikkeling van molaren is honderdvoudig toegenomen. Ze weten nu dat de vorming van deze knobbels wordt bepaald door een moleculair proces dat al in een vroeg embryonaal stadium begint. Gebaseerd op experimenteel werk op muizen, het patrooncascademodel voorspelt dat de molaire configuratie voornamelijk wordt bepaald door de ruimtelijke en temporele verdeling van een reeks signaleringscellen.

Klompjes signaalcellen (en hun resulterende knobbels) die zich eerder ontwikkelen, hebben een sterke invloed op de expressie van later ontwikkelende knobbels. Dit cascade-effect kan ertoe leiden dat de grootte en het aantal extra knobbels worden vergroot of dat hun ontwikkeling wordt beperkt om kleinere, minder knobbels. Of dit soort eenvoudige ontwikkelingsratel-fenomeen de enorme reeks kiesconfiguraties die aanwezig zijn in de voorouders van apen en mensen zou kunnen verklaren, was onbekend.

Met behulp van ultramoderne microcomputertomografie en digitale beeldvormingstechnologie toegepast op honderden fossiele en recente kiezen, Ortiz en collega's maakten virtuele kaarten van het tandheelkundige landschap van zich ontwikkelende tanden om de precieze locatie in kaart te brengen van embryonale signaalcellen waaruit molaire knobbels ontstaan. Tot grote verbazing van het onderzoeksteam, de voorspellingen van het model hielden stand, niet alleen voor de moderne mens, maar voor meer dan 17 soorten apen en mensachtigen verspreidden ze zich over miljoenen jaren van hogere evolutie en diversificatie van primaten.

"Het model werkt niet alleen voor het verklaren van verschillen in het basisontwerp van de kies, maar het is ook krachtig genoeg om het scala aan varianten in grootte nauwkeurig te voorspellen, vorm, en extra cusp-aanwezigheid, van de meest subtiele tot de meest extreme, voor de meeste apen, fossiele mensachtigen, en moderne mensen, ' zegt Ortiz.

Deze resultaten passen bij een groeiend oeuvre binnen de evolutionaire ontwikkelingsbiologie dat heel eenvoudig, duidelijke ontwikkelingsregels zijn verantwoordelijk voor het genereren van de talloze complexiteit van gebitskenmerken die worden aangetroffen in zoogdiertanden.

"Het meest opwindende resultaat was hoe goed onze resultaten passen bij een opkomende visie dat de evolutie van complexe anatomie door kleine, subtiele aanpassingen aan de onderliggende ontwikkelingstoolkit in plaats van grote sprongen, " zegt Gary Schwartz, een paleoantropoloog bij ASU's Institute of Human Origins en een co-auteur van een studie.

Deze nieuwe studie sluit aan bij de opvatting dat eenvoudige, subtiele veranderingen in de manier waarop genen coderen voor complexe kenmerken kunnen resulteren in de enorme reeks verschillende tandheelkundige configuraties die we zien bij mensachtigen en onze neven en nichten. Het maakt deel uit van een verschuiving in ons begrip van hoe natuurlijke selectie gemakkelijk en snel nieuwe anatomie kan genereren die geschikt is voor een bepaalde functie.

"Dat dit alles precies, gedetailleerde informatie zit diep in de tanden, " vervolgde Schwartz, "zelfs tanden van onze lang uitgestorven fossiele verwanten, is gewoon opmerkelijk."

"Ons onderzoek, aantonen dat een enkele ontwikkelingsregel de talloze variaties kan verklaren die we bij zoogdieren waarnemen, betekent ook dat we voorzichtig moeten zijn met het afleiden van relaties van uitgestorven soorten op basis van een gedeelde vorm, " zei Shara Bailey, een co-auteur en paleoantropoloog aan de New York University. "Het wordt steeds duidelijker dat overeenkomsten in tandvorm niet noodzakelijkerwijs duiden op recente gedeelde voorouders, ’ voegde Bailey eraan toe.